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綜述：這三部系列主要用于介紹巖土工程試驗中通用的方法之——三軸試驗。該報告對三軸試驗這個課題提供的詳盡的介紹，包括許多衍生可以用于評估土體響應范圍內的工程應用。

Overview: This three part series has been written to introduce one of the most versatile tests in the geotechnical laboratory – the triaxial test. The papers provide a detailed introduction to the subject of triaxial testing, including the many variations available for assessing soil response across a range of engineering applications.

本系列文章共分為以下主題：

1. 三軸試驗介紹
2. 高級三軸試驗
3. 動三軸試驗

簡介

本文介紹了一套三軸測試系統， 可用來確定常規三軸系統不能得到的土體參數，或者讓土體的反應盡量接近現場狀態。

本文包括以下部分：
局部應變測量
局部孔壓測量
彎曲元試驗
非飽和土試驗
高級軟件控制

局部應變測量

常規三軸系統測量變形的傳感器通常在三軸壓力室的外部。在這種情況下，位移傳感器安裝在加壓桿（第一部分圖 2：三軸試驗介紹）上面，軸向應變通過反壓控制器的體積變化或者位移傳感器來測量。

雖然這些設計在常規三軸試驗可能提供足夠的精度應變測量， 但不能測量剛度或者強度的峰值或者有代表原位土壤響應剪切區發生的小應變。這主要是由于位移傳感器測量的數值包括系統運動和變形等一些無關試樣體積變化的量。基座損壞、頂帽被壓入試樣頂部，也造成無法精確測量小應變。試樣頂部和底部與頂蓋和底座接觸產生摩擦使得試樣高度范圍內產生不均勻的變形，這意味著只有中間三分之一的試樣被認為是不受限制的,構成主剪切區域，這代表原狀土的響應。

這些誤差都可以通過放置的軸向和徑向的應變傳感器直接測量來減小。

局部軸向應變傳感器

試樣的局部應變可以通過將兩個相隔 180°的位移傳感器垂直安裝在試樣中部的 1/3 區域來測量。圖 1 顯示的是霍爾效應位移傳感器，也可以應用其它傳感器，如迷你線性位移傳感器 （LVDT）。每個傳感器通過兩個安裝塊固定在試樣上，它們相對運動來測量試樣變形。 這種傳感器通過計算兩個安裝塊之間距離的變化（稱為計量長度）來計算試樣的軸向應變，而不是采用試樣的初始高度。

局部軸向應變傳感器

三軸試樣的徑向應變可以通過安裝在試樣中心的一個位移傳感器來測量。通過兩個相隔 180 度的墊塊固定在試樣上，墊塊的兩個部分采用鉸鏈連接。當試樣膨脹時兩個墊塊距離增大，當收縮時距離減小。該傳感器安裝成鉗口開放的形式，致使所測得的位移是實際變形的兩倍。 圖 1 顯示的是安裝徑向霍爾效應傳感器，如果需要也可以采用LVDT。

傳感器選擇、維修技巧和優勢

本文所介紹的兩種局部位移傳感器（霍爾效應和 LVDT）都適用于測量局部變形。總之，霍爾效應傳感器比 LVDT 小，重量也輕，安裝時只對試樣施加了一個很小的荷載使得它在軟土測試中實用。LVDT 傳感器堅固，其精度也高。所以LVDT 適用于更加堅硬的試樣，或者圍壓更大的情況。

采用何種方式固定傳感器到土樣上需要根據所測的土體。通常采用粘合劑，例如樂泰膠水或者采用硅膠和不銹鋼針聯合使用在試樣上安裝軸向或者徑向墊塊。由于不刺穿橡皮膜，所以接觸粘合劑應用較多。

但在某些情況下可能要用針將墊片固定在某些地方，這需要使用硅密封膠來防止電池液泄漏到試樣上，注意只有當試樣足夠軟允許將針插入試樣內部。

為了說明采用局部應變傳感器的好處，圖 2 展示了采用總應變測量和局部應變測量兩種測得的結果。通過小應變傳感器能夠捕捉到小的應變，并消除了底座損壞和系統的制約，使得兩種方法的結果有著顯著地不同（比如 0.5%）， 同 時試樣初始剛度比采用總應變測得的更大。

采用局部應變測得的剛度更高也更符合現場狀態，圖 3 展示了剪切模量的退化曲線。通過采用小的剪切模量和不太保守的設計，能夠降低工程成本。注意：在進行數值計算時采用小應變來準確估計土的剪切模量也是非常重要的。

局部孔壓測量

就像傳統的三軸系統測量試樣的總應變一樣，孔隙水壓力的測量也傾向于采用壓力室外部的傳感器來讀取數據。這使得數據值為試樣端部孔隙水壓力的響應，而不是主要剪切區（試樣中部1/3 范圍內）的值。因此，為了增加剪切過程中孔隙壓力的測量精度，中平面孔壓傳感器能夠在三軸系統中應用。圖 4 為一個應用該傳感器的一個圖例。

就像它的名稱一樣，這些傳感器安裝在試驗中部或者接近中部。在橡皮膜上開一個小孔并將傳感器與試樣接觸，在試樣和橡皮膜之間安放一個法蘭環。在這個位置透水石與試樣直接接觸，通過隔膜的運動來測量孔壓。需要保證隔膜與透水石之間完全被水填充以保證測試的準確性。

彎曲元測試

試樣中非常小的應變響應可以通過彎曲元獲得。如圖 3 所示，彎曲元還可以測量最大剪切模量（Gmax），這個參數在巖土設計和數值計算中很有用。

彎曲元采用兩個雙晶片陶瓷插入試樣一定深度，他們能夠垂直放置（如圖 1 中放置在頂帽和底座上）或者水平放置，確定試樣的各向異性。當試驗時，給其中的一個元件提供電源使其在試 樣中產生 P 波或者 S 波，同時另一個元件接收通過試樣的波。

圖 5 展示了三軸試樣中一個典型垂直彎曲元的原理詳圖。注意這個圖中發射或者接受的波均為 S 波。

兩種類型的波的主要區別在于離子相對于波的運動方向。P波為縱波，表示離子的移動方向與波的傳播一致。 S 波為橫向波，這表示離子移動的方向與波的傳動方向垂直。

更多關于波在土壤中的傳遞可以查看文獻，關于彎曲元方面的重要結論如下：

P 波的速率被土體的體積和剪切模量控制，分別為 K 和 G。
P 波通過水來傳播，所以 P 波的速率與土體的飽和度有關
S 波的速率由土的剪切模量 G 控制
由于飽和度不足以影響剪切模量，所以試樣中 S 波的傳播速率基本不單獨受飽和度的影響
Vp>Vs’

實際上，彎曲元就是來測試 Vp 和 Vs’ 。通過測量波從一個元件發送到另一個元件所需要的時間，然后用兩個元件之間的距離除以該時間。值得注意的是由于不能準確獲得波傳播到接受元件 的時間，所以傳播時間不直接獲取，主要根據巖土力學中推薦的方法由用戶來確定。

估算 P 波和 S 波的速率后，要估算 K 和 G 值只需要知道試樣的體積密度，體積密度乘以波速的平方，波速需要盡可能準確的確定。注意：有時候 P 波可以用來表示試樣的飽和度，當試樣達 到飽和時 P 波的速率應該接近 1450m/s（P 波在水中的速率）。

圖 6 展示了彎曲元系統，包括控制箱用于采集和記錄波形。如果 在三軸系統中不止一套彎曲元（例如同時使用垂直和橫向元件），可以增加一個從屬箱。

非飽和試驗

傳統三軸系統和一系列的改進都是要求試樣完全飽和，這個要求也就相當于在現場中土壤位于地下水位以下，如圖 7 所示，然而在現實中有很多情況下土體在地下水位以上，事實上地球上60%的人口處于干旱地區，地下水位很深，也就是說在這些區域巖土工程主要為非飽和土。

當評估不飽和土壤時,Fredlund 和 Rahardjo(1993)建議不僅僅考慮現場的有效應力，而采用兩個應力變量：常規應力（）和基質吸力（）, σ為總法相應力，為孔隙水壓力，為孔隙氣壓力，并且。由于孔隙氣壓力的存在，在研究非飽和土時需要額外的硬件，在測試試樣體變時也需要更加復雜的方法。

孔隙氣壓力施加

孔隙氣壓力有兩種施加方法：通過壓縮空氣供應，或者采用空氣壓力/體積控制器。采用壓縮空氣施加氣壓力比壓力/體積控制器更加快速（這主要是由于空氣的高壓縮性造成的），但是采用壓縮空氣供應時不能測量進入試樣的氣體體積。

如圖 8 所示，氣壓力通過試樣帽施加，反壓（孔隙水壓力）通過基座施加。采用適合高壓空氣的圓盤作為底座，或者HAEPD。HAEPD 需要將孔隙氣和孔隙水分開，使試樣維持一個基質吸力（）。采用天然陶瓷材料，當飽和后在其上方施加一個比孔隙水壓力大的孔隙氣壓。這個材料能夠阻止空氣流出試樣，氣體壓力的最大值就是進氣值。HAEPD 的進氣值一般在 300~1500kPa 之間。

測量試樣體變

當進行非飽和三軸試驗時，試樣最初處于飽和狀態，然后增加基質吸力使其變成非飽和狀態 （通過土水特征曲線中基質吸力與飽和度來確定）。改變土體的非飽和狀態時不能夠單獨采用反壓體積，體變測量更加復雜，這主要是由于試樣中的空氣的高壓縮性造成的，所以需要采用其它方法來測量試樣的體變。測量體變需要的硬件如下：

1. 使用空氣氣壓/體積控制器。
2. 采用內壓力室和小量程的差壓傳感器。
3. 采用雙層壓力室。
4. 采用局部軸向和徑向應變傳感器。

每一種測量體變的方法都采用了不同的技術，同時它們也有各自的優點和缺點。對于各種方法的總結如下：

采用孔隙氣壓和反壓體積兩個控制器聯合使用來計算試樣的體變。
采用兩個或者三個裝置來測量由于試樣體積變化引起的內壓力室水位或者體積的變化。
直接采用局部應變傳感器測量軸向和徑向應變來計算試樣體變。

要確定那個選型最適合進行三軸試驗，每種方法都要進行詳細的 評估，也要考慮試驗類型。

軟件控制

現代電腦允許用戶進行比以前三軸試驗復雜的自動化測試，這可以減少用戶操作儀器所需的時間。這可以通過控制軟件控制硬件來實現，通過閉合回路的開與關，數字壓力/體積控制器基于系統傳感器反饋值來定期調整位置的速率。使用軟件來進行試驗的步驟如下：

自動飽和——增加圍壓和反壓，通過 B-check 來檢測增量。軟件基于孔壓傳感器反饋的值計算 B 值來確定飽和度。

K0 固結——圍壓以指定的速度增加，而幀速度基于徑向應變傳感器的反饋值自動調整。軟件的目標就是保持徑向應變為零（即一維固結），使試樣保持應力條件不變。

應力路徑控制——圍壓和幀速度根據用戶指定的線性應力路徑進行調整，圖 9 顯示的是一種應力路徑。在加載過程中，偏應力 q 和有效應力 p’都隨著荷重傳感器、軸向位移和反壓體積的讀書而變化(這些都用于計算試樣當前的應力和面積)，所以需要通過軟件重新計算。

應力循環控制——加載在試樣上面的循環偏應力（正弦）的幀速率不斷調整，注意由于沒有專門的加載架，加載頻率為 0.015 赫茲或更少。

參考文獻

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Jardine, R. J., Symes, M. J. & Burland, J. B. 1984.
The measurementof soil stiffness in the triaxial apparatus. Géotechnique, Vol. 34, No. 3, p 323-340.
Meilani, I., Rahardjo, H., Leong, E-C. & Fredlund, D. G. 2002.Mini suction probe for matric suction measurements. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 39, p 1427-1432.
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